Revealing the origin of high-thermal-stability of single-crystal Ni-rich cathodes toward higher-safety batteries

材料科学 热失控 阴极 热稳定性 氧气 锂(药物) 微晶 扩散 电池(电) 相(物质) 化学工程 热的 冶金 热力学 物理化学 化学 物理 工程类 内分泌学 功率(物理) 有机化学 医学
作者
Yijun Song,Yongpeng Cui,Bingyu Li,Lin Geng,Jitong Yan,Dingding Zhu,Pengfei Zhou,Jin Zhou,Zifeng Yan,Qingzhong Xue,Yongfu Tang,Wei Xing
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:116: 108846-108846 被引量:48
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2023.108846
摘要

The poor thermal stability of Ni-rich cathode materials, resulting in thermal runaway of the battery, is a major safety threat to the development of lithium-ion batteries. However, the thermal degradation mechanism that determines thermal stability, especially for the promising single-crystal (SC) Ni-rich cathode material, has not been elucidated. More importantly, this is indeed a fundamental issue. Herein, via a series of in-situ/ex-situ probing technologies, the thermal degradation of SC Ni-rich material is elaborately diagnosed from surface to bulk phase and compared with polycrystalline (PC) Ni-rich material. A comprehensive oxygen release kinetic model including oxygen diffusion distance, mechanical stress and temperature is presented. This model reveals that the SC Ni-rich material exhibits a stable depth-dependent gradient oxygen release kinetics, while the PC Ni-rich material exhibits an accelerated oxygen release kinetics by grain boundaries, which reveals the origin of the high-thermal-stability of SC Ni-rich cathodes. This work highlights the importance of suppressing oxygen release kinetics (e.g., increase oxygen diffusion distance, increase mechanical stress) to improve thermal stability, facilitating the development of safer lithium-ion batteries based on Ni-rich cathodes.
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